重力驱动疏松沉积物变形模拟实验研究

【作者】 陈俊飞； 张昌民； 晏奇； 卢晓林； 朱爱国；

【机构】 长江大学地球科学学院； 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室；

【摘要】 沉积岩层中的疏松沉积物变形是近些年来国内外沉积学界研究的热点问题之一,其中对于由地震、海啸和强风暴等突发地质事件引发的疏松沉积物滑塌变形更加引人关注,这种滑塌变形的发现不仅具有沉积学意义,还为恢复各研究区的大地构造背景提供了重要的沉积学依据,更是隐蔽油气藏勘探的一个新领域。在调研了大量国内外文献资料后,建立了一套模拟斜坡背景下重力成因的滑塌变形的实验装置,并设计了完整的实验步骤,以模拟滑塌变形的形成过程,并探究其形成机理。实验装置由实验支架、沉积箱、楔形石膏斜坡、固紧螺丝、密封条、双槽定滑轮、单槽定滑轮、弓形底座、电子倾角计、绳索、手动绞盘共11个部件组成,实验材料为天然泥和天然河道砂,大致清洗去除杂质并用标准筛进行筛析。实验中通过手动绞盘调节绳索改变弓形底座的角度来模拟突发地质事件中地形坡度的改变,观察疏松沉积物由于地形坡度的改变,在重力作用下发生的变形。每一轮实验的主要操作步骤如下:实验之前将10°的石膏放置于沉积箱内作为底形,调节沉积箱至10°并与底形坡向相反,向箱中加入泥水混合物,静置12h待黏土完全沉降,水体澄清便形成了黏土层,然后先后加入细砂和中砂,各约3cm厚,静置10min,待沉降完毕后形成砂层,加水至50cm深,同样静置10min,开始实验并摄像,通过绳索和弓形底座改变沉积箱坡度,观察砂和泥的变形,并记录初次变形的角度和时间,实验结束关闭摄像机,将沉积箱中的水排尽,静置72h后进行切片以及后期的建模。整个实验一共经历2.7min,角度变化约为25°(包含底形的10°)。当砂泥层达到11.1°时,由于砂层和泥层的粘滞系数的差异,沉积物开始发生滑移,滑动面平直。然后,继续缓慢摇动沉积箱,当角度达到12°时,沉积物开始发生变形,形成一级滑塌褶皱以及二级褶皱的小凸起,继续增大坡度,当达到14.9°时,二级滑塌褶皱的凸起不断加大,当坡度达到17.1°时,形成与一级滑塌褶皱形似的平卧褶皱。随着坡度增大,砂层滑动速率加快,当角度达到20.2°时,二级滑塌褶皱后方开始形成第三级变形,直至角度到达22.1°,第三级变形结束,这一变形类似于逆冲推覆构造,规模较大,变形速率非常快。之后随着坡度增大,变形不在发生,当坡度达到25°时,实验结束。实验分析表明:变形过程经历了2个阶段:(1)摇动至一定的坡度,沉积物开始发生滑移,滑动面平直。(2)坡度不断加大,沉积物发生侵入、卷曲、褶皱等变形。并且随着坡度的不断增大,砂层的滑动速率逐渐大于泥层的滑动速率,从而产生相对较大规模的滑塌变形。砂层和泥层由于重力作用和粘滞系数的差异使得流动速率相对增大,剪切效应就可能沿流变界面产生,从而产生滑塌变形。但是实验也存在不足,例如沉积箱尺寸有限,是否在增加沉积箱的长度后会发生更多不同的沉积物变形,这也是下一步实验应该要考虑的地方。更多还原